摘要：以贵州省荔波县为例，从投入强度、利用程度、产出效益和不持续利用状况4个方面建立耕地集约利用评价体系，得出2010—2014年荔波县耕地的集约利用态势，并利用两维图论聚类法将荔波县耕地集约利用情况划分为3个圈层，根据不同区位特点提出生态旅游——多级循环耕地利用、高效节约型耕地利用和反哺型农业耕地利用3种模式，以期为今后荔波县耕地发展提供参考。
关键词：喀斯特山区；耕地集约利用；投入强度；利用程度；产出效益；可持续利用状况；主成分分析
中图分类号： F323.211文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）17-0259-05
收稿日期：2017-02-28
基金项目：国家自然科学基金（编号：41401400）；贵州大学文科重大科研项目（编号：GDZT201305号）；贵州省科学技术基金（编号：黔科合J字[2012]2170号）；贵州大学引进人才科研基金[编号：贵大人基合字（2010）006号]；贵州省科技合作计划（编号：黔科合LH字[2016]7469号）。
作者简介：赵杨茜（1993—），女，云南大理人，硕士研究生，主要从事土地资源利用与保护研究。E-mail：1393802044@qq.com。
通信作者：杨柳，博士，副教授，主要从事土地利用与数据挖掘研究。E-mail：yang_whu.edu@163.com。耕地是人类生存的根本，保障耕地资源是保障粮食安全、国家稳定的坚实基础，也是农民生活水平提升的关键。但随着城镇化、工业化的不断推进，生态环境遭到破坏，生态环境相对脆弱的喀斯特地区的水土流失、土壤层变薄等环境问题更为尖锐。在新型城镇化进程中，耕地保护与农业生产成为亟须解决的关键难题[1]。提高耕地集约利用度就是在保障环境压力的同时实现可持续的最大化粮食产出[2-3]。现有的耕地集约利用研究中，多是集中在集约度评价、影响因素分析、分区研究等方面。杜国明等用压力—状态—响应框架（PSR）进行黑龙江省耕地集约利用评价，分析区域差异性[4]。刘玉等采用核密度曲线等对耕地集约利用评价结果进行时空上的深入研究[5]。邓楚雄等采用遗传算法的投影寻踪模型对长株潭城市群进行时空评价[6]。倪超等用熵值法和变异系数法对黑龙江省耕地利用集约度时空进行评价[7]。本研究以贵州省荔波县为例，分析2010—2014年耕地集约度的时空变化，建立喀斯特山区特色耕地集约利用的评价指标，通过两维图论聚类法进行耕地模式划分，提出空间上集中连片的发展模式建议，对今后荔波县耕地资源潜力的开发具有现实意义。
1研究区现状分析
荔波县位于贵州省南部，东北部与从江、榕江接壤，东部、南部与环江、南丹毗邻，西部同独山交界，北部与三都交界，土地总面积2 431.8 km2，年平均气温19.1 ℃，年总降水量 1 288.4 mm，县域海拔在292～1 503 m之间，平均海拔 758.8 m，境内旅游资源丰富，有水春河峡谷景区、樟江风光带、大七孔景区、小七孔景區等，景区目前已开发57个景点。地貌高低起伏，北高南低，山地面积占总面积的71.63%，丘陵面积占总面积的18.20%，平坝面积只占总面积的 10.17%，其中岩溶比较发育的石灰岩地区超过850 km2，喀斯特面积超过全县面积的70%，其中无石漠化的只占20%左右，是喀斯特较复杂、分布广、面积较大的岩溶山区之一。
县域的耕地主要在海拔<1 000 m、坡度<25°的区域，以坡耕地为主。受历史和地理因素影响，当地基础设施薄弱，土地利用方式落后，农业发展缓慢，工业发展滞后，煤炭等资源的粗放开发，集约化程度低。随着经济的发展，个人建房用地的增多，城镇、村落的不断扩展，致使部分良田受损，同时石漠化水土流失造成耕地质量等级降低，许多地方“易涝易旱”，土地产出率低。截至2015年底，全县农村还有51个贫困村、34 800 贫困人口，耕地是农民生存的根本，提高耕地的集约度，能进一步帮助农民提高收入，达到脱贫致富的目的。
2数据来源与研究方法
2.1数据来源
本研究采用荔波县2010—2014年土地利用变更数据，2010、2014年土地利用现状图，30 m×30 m分辨率的数字高程模型（DEM），2010—2014年的《荔波县统计年鉴》《黔南州统计年鉴》《贵州省统计年鉴》、政府社会经济公报等。
2.2耕地集约利用评价指标建立
耕地是一个复杂的生态系统，构建耕地集约利用评价指标体系要综合考虑各个方面的系统功能。本研究根据集约利用的科学内涵，参考前人建立的耕地集约利用指标体系[4-6]，结合荔波县的现状，确立相应的指标体系。其中，评价指标体系分为3级，即目标层、准则层、指标层，耕地集约利用评价水平为目标层，投入强度、利用强度、产出强度和持续利用强度为准则层，选择17个指标构成耕地集约利用的指标层（表1）。
表1中，农作物产量包括粮食作物产量、经济作物产量和其他作物产量。根据《中国粮食问题》白皮书的预测，2033年前后中国人口将达到15亿峰值，人均粮食消费量为400 kg/年，指标中采用2003年的人均粮食消费量计算粮食安全系数，人均粮食产量越高，粮食安全程度越高。表1耕地集约利用评价指标体系
目标层准则层变量标识指标层计算公式耕地集约利用耕地投入强度X1机械化动力投入农业机械总动力/耕地面积X2化肥投入化肥使用总量/耕地面积X3农药投入农药使用总量/耕地面积X4劳动力投入农业从业人口数/耕地面积耕地利用程度X5复种指数农作物总播种面积/耕地期末面积X6有效灌溉率有效灌溉面积/耕地面积X7地膜使用量X8粮食耕作面积占比粮食作物耕作面积/耕地面积耕地产出效益X9地均产粮粮食总产量/耕地总面积X10劳均产值种植业总产值/农业从业人口X11农民收入水平农民人均纯收入X12农业产值比农业产值/总产值X13经济作物面积占比经济作物面积/总播种面积耕地可持续状况X14人均耕地面积耕地总面积/总人口X15耕地平衡指数年末耕地总面积/年初耕地总面积X16安全系数人均实际粮食占有量/400 kgX17劳动力指数农村劳动力/总人口
2.3主成分分析法
主成分分析法是通过将多指标综合为较少指标的统计分析问题的方法[8]，具体步骤如下：（1）对数据进行标准化；（2）计算变量的简单相关系数矩阵；（3）求相关系数矩阵的特征根和对应的单位特征向量；（4）计算各主成分的方差贡献率及累积贡献率；（5）根据贡献率，选取主成分；（6）计算主成分的得分并进行分类和排序。
2.4两维图论聚类分析法
聚类分析是数理统计中研究“物以类聚”的一种方法，按照其性质的相似程度进行分类[9]。而本研究所用的两维图论聚类法以对区域耕地集约程度评价结果相似性为基础，充分考虑评价单元的的可行性、迫切性等因素，保持空间上的连通性和行政区界的相对完整性，利用地理信息系统（GIS）的空间分析手段和图论树算法相结合进行耕地集约利用度的分类研究。
本研究以乡（镇）政府驻地经纬度坐标为评价单元的坐标，分析各点之间的空间位置，进行空间相关性分析，根据图的几何概念可知，图是空间一些点与连接点的线集合，即G=（V，E），其中V表示点的集合，E是各单元邻接关系的集合。若分区用无向图来表示，则V是各评价单元的集合，E是各评价单元的邻接关系集合，由于在考虑空间邻接性的同时，更重要的是考虑各评价单元之间的内在相似性，因此分区需用加权连通图来表示，即G=（V，E，D），其中D在图论的树算法中表示各点之间的权重，分区中采用分区单元间的邻接关系来构造邻接矩阵，采用各分区单元间的邻接关系来构造邻接矩阵 |D|，采用各分区单元间的邻接关系来构造邻接矩阵|E|。现在问题转变为求加权连通图G=（V，E，D）的合理割集，即首先采用图论最小树法求得1个最小生成树，然后根据区内分异小、区间大的原则，选择适当的A值，将最小生成树分割成m个子树，即将研究区域分成m个区域。
3结果与分析
3.1耕地利用时空特征
耕地主要分为水田、水浇地和旱地。从耕地总体数量上看，荔波县整体耕地在2010—2014年得到了有效的保护。从图1中可以看出，2010—2014年间耕地数量与人口的变化出现多次交叉，特别是2010—2011年间，人口在迅速增长时，耕地数量却呈现下降趋势。根据表2可以看出，2010—2014年间虽然耕地数量总量增加了75.47 hm2，但从耕地类型的变化看，减少的耕地类型以水田为主，占减少总量的75.41%，且减少的耕地数量主要流转为城镇村及工矿用地，其次是交通运输用地，这与城镇发展的需求相一致。同时，占新增耕地数量95.24%的旱地中85.67%都是由草地转换而来的。从坡度耕地面积变化（表3）也可以看出，占用的耕地多是≤2°的坝田，而补充的耕地则多是6°～15°坡度区间的耕地，且从年份上可以看出，2012年当年大面积开始进行城镇规划建设，占用大量的优质耕地。综上所述，2010—2014年间耕地数量总量增加，但耕地的总体质量呈下降趋势，坡度平缓的水田等被大面积占用，耕地的类型却逐渐向坡耕地转换。
从空间上看，荔波县耕地主要集中在西北部和中部区域，耕地面积最大的斑块不到1 km2，最小的只有22 m2，平均值只有0.01 km2，零星耕地较多，耕地斑块零散。在2010—2014年间，减少的耕地共有494个斑块，主要分布在县域中部的玉屏街道办事处和左翼的小七孔镇，其中减少的最大面积为0.1km2，最小的只有0.05m2，平均每个斑块面积为
0003 km2，斑块面积标准差达到8 639.88 m2。增加的耕地有40个斑块，主要分布在县域左上部的甲良镇，其次是在右翼的茂兰镇和佳荣镇，增加的斑块最大面积为0.84 km2，最小为0.68 m2，平均每个斑块面积0.066 km2，标准差为 166 599.20 m2（图2）。由此可以看出，2010—2014年间，耕地减少的多为零星耕地，增加的多为成片的耕地。
表22010—2014年耕地量的转移矩阵hm2
2010年地类2014年各地类面积水田面积园地林地草地城镇村及工矿用地交通运输用地水域及水利设施用地其他土地总计水田0-0.210.280.54-83.33-24.50-0.37-2.15-109.74水浇地0000-0.50000-0.50旱地-0.0216.256.69201.53-21.41-13.79-0.04-3.50185.71总计-0.0216.046.97202.07-105.24-38.29-0.41-5.6575.47注：表2中正值表示增加，负值表示减少。表3同。
3.2耕地集约利用态势
从主成分分析的相关系数矩阵中得出，影响耕地集约利用的17个指标都存在不同程度的相关性，这说明它们之间有着因果必然性，这也是进行主成分分析的必要性。其中相关性较大的有X1与X2、X5、X11，X2与X5、X3，X3与X11，X9与X16，以上因子的相关性都大于0.950，最高达0.990。变量相关矩阵有4个最大特征值，即7.987、4.620、3.068、1.325，第一、第二、第三、第四主成分累积贡献率达100%，所得的结果能够对全部指标进行概括。主成分载荷表示主成分与变量之间的相关系数，其中第一主成分与X1、X2、X3、X4、X5、X9、X11、X13、X14和X16有较高的相关程度（表4）。
从评价结果可以看出，荔波县2010—2014年耕地利用度逐渐提升，由粗放型向集约型转变，但是整体转变的速率较慢。从耕地集约度的4个方面分析可以看出，耕地的投入强度、产出效益与耕地整体集约度的变化保持一致，只有耕地的利用程度和可持续利用状况在2010—2012年间有所波动（表5）。由于耕地农药投入和化肥投入方面所占比重较大，劳力投入和电力投入所占比重相对较小，而集约化是利用劳动力、资本或技术投入替代土地以提高单位面积产出的过程，耕地集約度分为资本集约度和劳动集约度，资本集约度是指生产成本的投入，劳动集约度指人工成本的投入。由此可见，荔波县大多是靠物质成本投入来提高粮食产量，人地矛盾突出且经济发展相对落后地区的劳动集约度较高，资本集约度较低，省工性投入较少，增产性投入较多，区域间差异有增加趋势，这也表明经济落后是制约荔波县农业发展的根本原因。
3.3耕地集约利用整合分析
用主成分分析法对各个乡镇的耕地集约利用情况进行评价（表6），在DPS数据处理系统中，将荔波县8个乡镇驻地经纬度坐标和各乡镇的集约利用度作横向排列，得到二维数据表。选择多元分析下的两维图论聚类工具，生成聚类图。通过GIS软件把图中的点和线相互关系转绘到地理空间位置上，再叠加到行政区划图数据层，得到荔波县耕地集约利用时
图3玉屏街道办事处连接了3个乡镇，多于其他乡镇所连接点数，根据两维图论聚类的原理可知，玉屏街道办事处的耕地集约利用度与直接连接的小七孔镇、朝阳镇和茂兰镇具有一定的相似性，但从耕地投入强度、利用程度、产出效益和可持续状况的分值分析可知，茂蘭镇的耕地集约度远不如其他3个乡镇，反而与小七孔镇相连的甲良镇更有相似性，所以A圈层={甲良镇、小七孔镇、朝阳镇、玉屏街道办事处}，而剩余的4个乡镇根据两维图层聚类分析线分别分为B圈层={黎明关水族乡、瑶山瑶族乡}、C圈层={茂兰镇、佳荣镇}。
4荔波县耕地利用模式研究
4.1生态旅游——多级循环耕地利用模式
生态旅游——多级循环耕地集约利用模式是在充分利用自身资源优势的基础上，以生态旅游带动为主，将现代化技术与传统农业耕作充分融合，达到种植业、养殖业和林产业生物间物质和能量的循环利用， 最终通过合理的规划管理和经营运作，实现生产、流通、商贸、休闲养老、文化旅游等为一体的现代化耕地集约利用模式。种植业是农业的基础产业，在保障粮食安全的基础上，可以通过推进木本油料、特色林果、林下经济、竹藤、花卉等产业发展，实现更高的经济价值，同时在生产过程中产生的副产品如桔梗、糠等经过加工，可以作为养
殖业的原料，养殖中产生的粪便、尿等经过多重发酵、处理，作为种植的肥料，实现生态循环种养模式。荔波县A圈层的甲良镇、小七孔镇、朝阳镇、玉屏街道办事处正好处于大小七孔和漳江河为轴线的旅游中心区域，以周边的淇江、观音峰、水浦河、荔波古城、黄河江国家湿地公园等为连线，加强休闲农业聚集村、休闲农业园等配套服务设施建设，培育扶持休闲农业新型经营主体，促进农业与旅游观光、健康养老等产业深度融合，可以实现A圈层整个区域“农旅结合，以农助旅，以旅促农”的目标。例如，荔波县县城西南2.5 km处犀牛湖打造的农家休闲、农事体验、三农旅游、农业科普等项目生态田园景观和山野风光为一体的观光园，在实现人与自然协调发展的同时提升耕地的产出率。而相对农产品产出率低的区域如朝阳镇脚村—拉柳一线通过花卉的种植可以提升单位土地产值，甲良镇通过茶园、蓝莓园、精品水果园等的规划种植建立农业产业园，达到提升坡耕地产出效率的目的。
4.2高效节约型耕地利用模式
高效节约型耕地利用模式主要依赖节水灌溉改造技术、土地整理与复垦技术、坡改田、水土保持技术及小流域综合治理技术等进行耕地的节约利用和合理发展。荔波县B圈层的黎明关水族乡和瑶山瑶族乡主要以第一产业为主要生产经营方式，但该区域以山地为主，坡耕地占比大，且耕地等级比其他圈层略低，其中瑶山瑶族约80%耕地板块面积都在
30 m2 左右，而黎明关水族乡约80%在100 m2左右，耕地分布相对离散。同时区域内资源匮乏，灾害频繁，要保证该区域耕地的产值，就必须提高水、电、路等基础设施建设，改变靠天吃饭的落后经营方式。根据当地的区域条件，进行耕地基础设施改良，适当转变传统耕作方式，开展多元化的耕作模式。如发展瑶山乡高桥村四季花海等农旅项目。
4.3反哺型农业耕地利用模式
反哺型农业耕地利用模式主要针对交通便利、其他产业发展较好的区域，充分运用当地丰富的矿产资源、水资源、森林资源等带动农业发展，实现工业反哺农业或第三产业反哺农业的耕地发展模式。荔波县C圈层中的茂兰镇相对其他乡镇，耕地质量较差，产量较低，但境内交通便捷，矿产资源丰富，煤炭资源探明储存量近亿吨。随着工业的带动、经济实力的提升，耕地的整治也能逐步实现，耕地的质量提升为长期耕作提供了坚实的基础。同时，建立以特色农产品加工、旅游商品和民族工艺品加工、承接东部轻工业转移产业以及高新技术等产业为主导产业的园区，打开农业产品的市场，带动当地农业生产的积极性。而C圈层的佳荣镇樟江发源地的森林覆盖率达80%，旅游资源丰富，如月亮山探险、甲料河谷风光带、桫椤群、坤地村军民相思洞，同时该区域城镇建设及功能完善，市场商品交易繁荣，镇域经济发展潜力较大，城镇化率达到48%。通过农田改造，开展农旅结合的产业模式，实现第三产业反哺农业的方式，从而提升了耕地集约度。
5结论
荔波县耕地的质量等级整体不高，以坡耕地为主，2010—2014年间耕地数量有所增加，耕地集约度也得到提升，但整体水平还较低，各乡镇耕地集约度参差不齐，要提高荔波县整体的耕地集约度，就要因地制宜，采取不同的耕地利用模式。本研究根据荔波县现有的自然社会经济现状，进行3个圈层的划分，提出生态旅游——多级循环耕地利用模式、高效节约型耕地利用模式和反哺型农业耕地利用模式3种模式，实现美化农业环境，耕地质量、农业基础设施整体的提升，同时根据区域特色发展不同的耕地利用类型，进行适度规模化经营，提高人均耕作效率，实现耕地集约化利用，达到农民收入水平长久的提升。
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